Plantarray高通量植物生理表型平臺(tái)：己糖激酶在保衛(wèi)細(xì)胞中的作用

Plantarray是一款基于稱重的高通量、多傳感器生理表型平臺(tái)以及植物逆境生物學(xué)研究通用平臺(tái)。該系統(tǒng)可持續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量位于不同環(huán)境條件下、陣列中每個(gè)植株的土壤-植物-空氣（SPAC）中的即時(shí)水流動(dòng)。直接測(cè)量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加，計(jì)算植物生理參數(shù)以及植物對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的反饋。系統(tǒng)以有效、易用、無(wú)損的方式針對(duì)植物對(duì)不同處理的反應(yīng)、預(yù)測(cè)植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力進(jìn)行定量比較，廣泛應(yīng)用于生物脅迫和非生物脅迫以及植物栽培加速育種研究等，脅迫研究涵蓋干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、熱、冷脅迫、光脅迫以及灌溉/養(yǎng)分、CO₂指示、植物健康等領(lǐng)域的研究。

氣孔由兩個(gè)保衛(wèi)細(xì)胞組成，其受控運(yùn)動(dòng)使植物能夠平衡光合作用對(duì)CO2的需求和蒸騰作用損失的水分。保衛(wèi)細(xì)胞滲透壓增加導(dǎo)致氣孔打開(kāi)，滲透壓降低導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。糖類在調(diào)節(jié)氣孔中的作用尚未明確。本文研究了己糖激酶 (HXK)在保衛(wèi)細(xì)胞中的作用及其對(duì)氣孔孔徑的影響。研究表明保衛(wèi)細(xì)胞中HXK的表達(dá)增加會(huì)加速氣孔閉合。研究進(jìn)一步表明這種閉合是由糖誘導(dǎo)的，并由脫落酸調(diào)節(jié)。這些發(fā)現(xiàn)支持了一種反饋抑制機(jī)制的存在，該機(jī)制由光合作用的產(chǎn)物，即蔗糖調(diào)節(jié)。當(dāng)蔗糖生產(chǎn)速度超過(guò)蔗糖加載到韌皮部的速度時(shí)，多余的蔗糖被蒸騰流帶到氣孔并通過(guò) HXK 刺激氣孔關(guān)閉，從而防止寶貴的水分流失。

關(guān)鍵詞：氣孔；保衛(wèi)細(xì)胞；己糖激酶；蔗糖；脫落酸；蒸騰作用

圖1. 己糖激酶 (HXK) 的高表達(dá)會(huì)增強(qiáng)氣孔關(guān)閉并減少蒸騰作用

本試驗(yàn)采用不同AtHXK1表達(dá)水平的番茄品系研究HXK對(duì)番茄氣孔的影響。對(duì)HK37、HK4和HK38三種番茄品系的氣孔孔徑和氣孔導(dǎo)度進(jìn)行了測(cè)定，它們的HXK活性水平分別是野生型（WT）植株的2、5和6倍。AtHXK1表達(dá)系的氣孔密度與野生型的氣孔密度相似，但氣孔孔徑和導(dǎo)度均顯著降低，這與AtHXK1表達(dá)水平直接相關(guān)（圖1a，b）。此外，對(duì)一天中蒸騰作用的持續(xù)測(cè)量表明，在AtHXK1表達(dá)系中，單位葉面積的蒸騰速率顯著降低（圖1c），因此，單位葉面積的累積全株相對(duì)日蒸騰量（RDT）與HXK活性明顯呈負(fù)相關(guān)（圖1d）

圖2. AtHXK1在葉片中表達(dá)時(shí)主要降低蒸騰作用

為了排除植株蒸騰作用的減少不是AtHXK1對(duì)根吸水或莖部水分運(yùn)輸抑制作用的結(jié)果，采用相互嫁接實(shí)驗(yàn)，將HK4枝條嫁接在WT的根上，WT枝條嫁接在HK4的根上（圖2a）。對(duì)嫁接植物單位葉面積的蒸騰速率和累積全株相對(duì)每日蒸騰量的持續(xù)測(cè)量表明，蒸騰減少通常與HK4的枝條有關(guān)，而根系的影響較小（圖2b，c）。為了進(jìn)一步檢查HK4的莖對(duì)蒸騰作用的影響，采用三重嫁接植物，其中 HK4 中間砧木替換了 WT 植物的一部分莖（圖2d）。HK4 的中間砧木對(duì)RDT沒(méi)有影響（圖 2e），以上表明表達(dá) AtHXK1 植株蒸騰作用的減少是由于葉子蒸騰作用減少造成的，而不是根部吸水量減少或通過(guò)莖干運(yùn)輸減弱的結(jié)果。 AtHXK1對(duì)葉片蒸騰作用的這種影響表明HXK控制影響整株植物蒸騰作用的氣孔行為。